高倍聚光光伏光热综合利用系统的理论和实验研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文高倍聚光光伏光热综合利用系统的理论和实验研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：陈海飞热能工程季杰教授二。一四年五月九日UniversityofSckandTechnolog、ofChinauniversityotcienceandechnoloqvofChinaAdissertationfordoctor’SdegreeIIIIIIIIIIIIIIIIIIUlY2589808Numericalandexperimentalstudyonahighconcentrationphotovo

2、ltaiclthermalsystemAuthor’sName：Speciality：Supervisor：Finishedtime：HaifeiChenThermalEngineeringPro￡JieJiMay9m，2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：j逝签字日期：竺!!：!：垦中国科学技

3、术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。嗣公开口保密(——年)作者签名：签字日期：酶盘k矽‘中、‘．锣导师签名．。詹，．签字日期：斗摘要太阳能以其清洁、可

4、再生和利用广泛等特点备受瞩目，成为了传统化石能源的替代能源之一。作为太阳能重要利用形式之一的光伏发电技术也已经引起了世界各国的广泛关注。而聚光光伏发电技术通过采用聚光器提高光伏组件表面的能流密度，可以大幅度减少昂贵光伏电池的面积，是提高系统效率、降低系统发电成本的有效途径。针对聚光光伏发电系统能流密度分布不均匀以及光伏组件温度过高等问题，从提高太阳能利用率及降低系统成本的角度出发，结合聚光太阳能光伏发电技术和太阳能光电光热综合利用的思想，本文提出了高倍聚光光伏光电光热综合利用系统，对反射型和折射型两种高倍聚光发电系统分

5、别进行了强制水冷换热设计研究。系统在输出电能的同时对产生的余热进行收集利用，在提高光伏电池光电转换效率的同时还能获得额外的热能收益，大大提高了系统的太阳能综合利用效率。对于两种不同形式的高倍聚光光伏发电供热饵CPV厂】r)系统，分别建立了相应的动态数学模型以及相应的实验测试平台，通过数值模拟和实验研究相结合的方法，对不同聚光比、不同质量流量以及不同环境参数条件下系统光伏电池的输出特性、聚光光斑能流密度分布的均匀性、系统光电转换和系统光热转换的耦合关系等进行了深入的研究。本文的主要研究内容主要包括以下几个方面：建立了旋转

6、抛物面式高倍聚光器的光学模型，根据系统聚光比及太阳影像等光学理论对该聚光器的聚光焦距、采光面积等进行了理论设计。在此基础上，针对其聚光光斑不均匀的缺点，分别采用化整为零的思想提出了多碟共焦式高倍聚光器；以及通过平面镜分段逐步逼近抛物面的方法，提出了平面镜阵列取代连续曲面的聚光方式。通过相应的理论分析研究，分别搭建了多碟共焦式高倍聚光器实验平台和平面镜阵列高倍聚光器实验平台，并对两者的聚光能流密度分布进行了实验研究。结果表明平面镜阵列高倍聚光器能从根本上解决聚光不均匀的问题。且系统部件不仅加工安装难度小、成本低、稳定性及

7、抗风性能好；而且该系统的聚光比可调节，适用于各种聚光比需求的聚光光伏发电系统。结合平面镜阵列高倍聚光器和CPV／T模块，建立HCPV／T系统的动态数学模型，研究高热流密度下光伏电池与基板、基板与换热器的结构设计，并对模型摘要中光伏基板、换热器以及内部的冷却水沿水流方向的温度分布进行了理论模拟，给出了系统热效率、电效率及光电光热综合效率的计算方法。结合光敏跟踪和视日程序跟踪方法，设计并研制了系统所需的双轴跟踪系统。搭建了平面镜阵列HCPV厂r系统实验测试平台，对系统的关键温度参数、热效率、电效率以及光电光热综合效率进行了

8、实验测试以及结果分析。同时深入探讨了不同聚光比、不同质量流量以及不同环境参数等对系统热电性能的影响。实验结果表明，该HCPV／T系统具有良好的光电光热性能，光电效率可达22％，热效率可达47％，光电光热综合效率能够达到70％左右。同时本文还对该平面镜阵列系统的CPV／T模块电输出性能的温度系数作了实验与理论分析。提出了菲涅尔水冷散